„Photonik ist im Kampf gegen COVID-19 unentbehrlich”

Die Photonik-Community kann wichtige Beiträge zum Kampf gegen die COVID-19-Pandemie – von der Diagnose der Krankheit über genetische Analysen der SARS-CoV-2 Viren bis hin zur Entwicklung von Impfstoffen und zur Sterilisation von Schutzausrüstung und Instrumenten. Über den konkreten Einsatz von Optik und Photonik berichten im Interview Dr. Thomas Baer, Direktor des Stanford Photonics Research Center, und Dr. Christina Baer, Direktorin des Sanderson Center for Optical Experimentation (SCOPE) an der University of Massachusetts Medical School (UMMS).

Sie haben gerade einen sehr interessanten Artikel über "Optik, Photonik und COVID-19" in den Optics & Photonics News der OSA veröffentlicht. Wie kam es dazu?

Dr. Christina Baer: An unseren Instituten betreiben wir beide interdisziplinäre Forschung, jeweils an der Schnittstelle zwischen Medizin, optischen Technologien und Ingenieurwissenschaften. Ziel ist es, klinisch relevante Forschung voranzubringen und Geräte für den klinischen Einsatz zu entwickeln.

Dr. Thomas Baer: Angesichts der erschreckenden Ausmaße der Pandemie COVID-19 mit über vier Millionen diagnostizierten Fällen und über 280.000 Todesfällen weltweit rücken Wissenschaftler, Ingenieure und Ärzte enger zusammen. Wir brauchen all unsere Kreativität, um diese enorme Herausforderung zu bewältigen. Wir können uns auf etablierte photonische Verfahren stützen, müssen aber auch neue Wege beschreiten.

Wie kann die Photonik zum Kampf gegen COVID-19 beitragen?

Thomas Baer: Das beginnt schon bei der Früherkennung und beim Screening der Krankheit. Wegen der stark variierenden Symptomatik gilt erhöhte Körpertemperatur als Indikator in der Frühphase. Da das SARS-CoV-2 Virus hoch ansteckend ist, sind berührungslose Temperaturmessverfahren gefragt. Wärmebild-Kameras bieten erhebliche Sicherheitsvorteile, wenn Personengruppen überprüft werden sollen. Für die Individual-Diagnostik ist es zweckmäßig, die Stirntemperatur per Infrarot-Thermometer zu messen. Solche Thermometer basieren auf einzelnen Detektoren, auf Arrays von Mikro-Bolometern oder auf Halbleiterdioden-Detektoren, die im Infrarot-Bereich von acht bis vierzehn Mikrometern empfindlich sind und kleinste Änderungen der Schwarzkörper-Strahlungsintensität erfassen. Deutet die Körpertemperatur auf eine COVID-19-Infektion hin, geht die Diagnostik mit dem Nachweis der Virus-RNA weiter – ebenfalls auf Basis von Photonik...

Christina Baer: ... mit der so genannten Real-Time Reverse Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion, besser bekannt unter der Abkürzung RT-PCR. Die Geräte verwenden hochempfindliche spektroskopische Methoden, um winzigste Mengen viralen genetischen Materials aus Nasen- oder Rachenabstrichen von Patienten nachzuweisen. Das Verfahren erfordert aufwändige Probenaufbereitung und funktioniert durch das Kopieren spezifischer Nukleinsäure-Sequenzen in der Probe, wobei zum Nachweis Nukleinsäure-Primer verwendet werden, die selektiv und spezifisch an die im SARS-CoV-2-Virus vorhandenen RNA-Sequenzen andocken – und mit Molekülen eines Fluoreszenzfarbstoffs markiert werden. Nach bis zu 40 Amplifikationszyklen, in denen die angebundenen Nukleinsäure-Sequenzen unter Zugabe von Enzymen bei verschiedenen Temperaturen kopiert werden, lässt sich die Virenlast qualitativ und quantitativ einschätzen. Nach jedem Amplifikationszyklus wird die Gesamtfluoreszenz gemessen – und nimmt mit steigender Virusmenge zu. Als schmalbandige, sichtbare Anregungsquellen dienen in Echtzeit-RT-PCR-Geräten Laserdioden oder LEDs. Zur Detektion sind Halbleiterdioden oder Photomultiplier mit optischen Schmalbandfiltern im Einsatz. Das Verfahren ist vollautomatisiert und verarbeitet in der Regel 96 oder 384 Proben parallel in etwa zwei Stunden. Um die Tests zu beschleunigen, experimentieren Forscher derzeit mit trockenen Probenabstrichen, deren Vorbereitung weniger komplex ist. Alternativ steht ein weiteres Photonik-basiertes Diagnoseverfahren bereit: Mithilfe hochaufgelöster Computertomographie-Scans können Ärzte durch COVID-19 geschädigtes Lungengewebe identifizieren.

Thomas Baer: Wenn die Krankheit diagnostiziert ist, gilt es, die Lungenfunktion zu überwachen. Dafür messen Oximeter die Sauerstoffsättigung im Blut – oder präziser, den Prozentsatz des mit Sauerstoff angereicherten Hämoglobins. Die an einen Finger geklemmten Geräte basieren auf LEDs, die zwei verschiedene Wellenlängen emittieren, in der Regel um 665 und 894 Nanometer. Der Prozentsatz der Sauerstoffsättigung wird aus dem Verhältnis der Absorption bei diesen Wellenlängen abgeleitet.

Es besteht ein dringender Bedarf an Antikörpertests, um zu klären, wie viele Menschen bereits immun sind. Kann die Photonik auch hier helfen?

Christina Baer: Ja. Moderne Labors verfügen über hochautomatisierte Instrumente, die hunderte bis tausende Proben pro Tag analysieren können. Sie verwenden den Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA), um für das Virus spezifische Antikörper im Blutserum der Patienten zu messen. Diese Technik beruht auf kolorimetrischen Veränderungen in der Probe. Sie werden durch ein Enzym erzeugt, das an die SARS-CoV-2-spezifischen Antikörper anbindet – und mithilfe von multispektraler Bildgebung nachgewiesen wird.

Thomas Baer: Das optische Verfahren ist nicht nur für Antikörpertests, sondern auch für die Entwicklung von Impfstoffen zentral. Die Photonik liefert Kernkomponenten für die gängigsten Hochdurchsatzgeräte zur Gensequenzierung, die durch das Human Genom Projekt enormen Schub erhalten hat. Die Geräte nutzen in der Regel Multispektralkameras mit hoher Quanteneffizienz und höchster Auflösung, um Sequenzen von einigen hundert Millionen Ziel-DNA-Molekülen gleichzeitig abzubilden. Sie können das komplette Genom des SARS-CoV-2-Virus in wenigen Stunden sequenzieren. Das ist wichtig für das Tracking des Virus, das infolge von Mutation von Ort zu Ort variierende Gen-Sequenzen aufweist. Und die Technologie ist essentiell für die Impfstoffentwicklung. Die Hochdurchsatz-Sequenzierung kann helfen, die Proteine im Virus zu bestimmen und geeignete Targets für synthetische Impfstoffe zu identifizieren, die die Immunantwort zuverlässig stimulieren.

Sehen Sie weitere Anwendungen der Photonik im Kampf gegen die Pandemie?

Thomas Baer: Kliniken in aller Welt benötigen schnelle, zuverlässige Verfahren zur Sterilisation von persönlicher Schutzausrüstung – etwa Masken oder N95-Atemschutz, Instrumenten oder Oberflächen. Licht im UV-C-Spektralbereich (200-280 Nanometer) tötet viele Bakterien und Viren bei hoher UC-C-Intensität binnen einer bis fünf Minuten Einwirkzeit. Aktuell werden UV-LEDs und keimtötende Lampen auf Quecksilberbasis in unterschiedlichen Prozessanordnungen getestet, um die Technologie schnell verfügbar zu machen. Falls Leser aus unserer Community ihr Wissen, ihre Ideen und ihre Technologie einbringen möchten: Besuchen Sie n95decon.org! Besonders in Regionen, in denen es an Schutzausrüstung und an N95-Masken mangelt, sind Kliniken und Ärzte dringend auf einfache, aber zuverlässige Lösungen für deren schnelle Dekontamination zur anschließenden Wiederverwendung angewiesen.

Was kann die World of Photonics-Community außerdem tun, um zu helfen?

Christina Baer: Nehmen Sie Kontakt zu denen auf, die an vorderster Front arbeiten. Wissenschaftler, Ärzte, Krankenschwestern, Labormitarbeiter – und fragen Sie sie, welche Werkzeuge ihnen fehlen und wo sie aktuell nicht weiterkommen. Schließen Sie sich mit Wissenschaftlern und Ärzten zusammen, um das Wissen über das Virus schnellstmöglich zu erweitern. Wir brauchen interdisziplinäre Ansätze und jede Menge Engagement im Kampf gegen diese beispiellose Pandemie! Und denken Sie daran: Die Photonik ist im Kampf gegen COVID-19 unentbehrlich.

Dr. Christina E. Baer
Dr. Christina Baer
Direktorin des Sanderson Center for Optical Experimentation (SCOPE)
University of Massachusetts Medical School (UMMS)
Dr. Christina E. Baer

Direktorin des Sanderson Center for Optical Experimentation (SCOPE)
University of Massachusetts Medical School (UMMS)

Dr. Christina Baer

Dr. Christina Baer ist Direktorin des Sanderson Center for Optical Experimentation (SCOPE), das als Impulsgeber für optische Experimente an der University of Massachusetts Medical School (UMMS) wirkt. Zugleich forscht sie als Assistenzprofessorin an der UMMS im Bereich Mikrobiologie und physiologische Systeme. Der Fokus liegt auf spezifischen Lungenerkrankungen. Baer befasst sich mit dem Einsatz innovativer optischer Verfahren, um Grundlagen des Zellwachstums, der Zellteilung und Signalübertragung in Zellen zu ergründen. Dabei reicht das Spektrum von der Weitfeld-, konfokalen und Mehrphotonen-Bildgebung über die Entwicklung molekularer Werkzeuge bis hin zur quantitativen Bildanalyse.

© UMMS-SCOPE

Dr. Thomas M. Baer
Dr. Thomas Baer
Direktor des Stanford Photonics Research Center
Dr. Thomas M. Baer

Direktor des Stanford Photonics Research Center

Dr. Thomas Baer

Dr. Thomas Baer ist Direktor des Stanford Photonics Research Center, das Instrumente für die biowissenschaftliche und biomedizinische Forschung auf der Basis spezifischer optischer, mechanischer, mikrofluidischer und elektronischer Designs entwickelt. Dazu gehören Bildgebungs- und biochemische Analyseverfahren, mit denen Forscher die molekularen Grundlagen der menschlichen Entwicklung klären. Neben der Entwicklungsbiologie liegt der Fokus auf der regenerativen Medizin, Optogenetik und auf Technologien für das Protein-Engineering.

© Stanford Photonics Research Center

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